Badania modelowe uwarunkowań fluidyzacji strefy hyporeicznej

• Autorzy: Marciniak Marek , Matusiak Magdalena , Szczucińska Anna , Kaczmarek Mariusz

Identyfikatory

DOI

10.7306/bpig.39

Warianty tytułu

EN

Modelling studies of the conditions of fluidization in the hyporheic zone

• Konferencja: Współczesne problemy hydrogeologii = Current challenges in hydrogeology : XIX Sympozjum
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Strefa hyporeiczna jest obszarem współdziałania wód powierzchniowych i podziemnych. Warunki w jakich funkcjonuje ta strefa mają ważne znacznie dla organizmów roślinnych i zwierzęcych tam bytujących, ale także dla wymiany wód, ich składu chemicznego oraz reakcji zlewni na opady. W warunkach drenażu wód podziemnych przez wody powierzchniowe może dochodzić do fluidyzacji, czyli upłynnienia osadów dennych budujących strefę hyporeiczną. Zjawisko fluidyzacji zachodzi po przekroczeniu przez gradient hydrauliczny wartości jeden. Korzystając z tego warunku przeprowadzono badania symulacyjne funkcjonowania doliny rzecznej w zależności od wielu parametrów morfologicznych, hydrologicznych czy też hydrogeologicznych. Uwzględniono różnicę poziomu wody między warstwą wodonośną a rzeką, szerokość rzeki, współczynnik filtracji i anizotropię warstwy wodonośnej oraz przepuszczalność pionową strefy hyporeicznej. Realnie występujący zakres zmienności poszczególnych parametrów podzielono na podzakresy wartości niskich, średnich i wysokich. Metodą symulacji komputerowych, za pomocą oprogramowania Visual MODFLOW, poszukiwano takich warunków funkcjonowania doliny rzecznej, dla których może wystąpić zjawisko fluidyzacji. Stwierdzono, że fluidyzacja strefy hyporeicznej zależy proporcjonalnie od różnicy między zwierciadłem wód powierzchniowych i podziemnych. Wykazano, że większej skłonności do fluidyzacji można oczekiwać, gdy warstwa wodonośna ma wysoką przepuszczalność hydrauliczną, strefa hyporeiczna cechuje się niską przepuszczalnością pionową, a szerokość cieku jest niewielka.

EN

The hyporheic zone is a contact zone of surface and subsurface waters. One of the specific processes occurring in this zone is hyporheic zone sediment fluidization. The aim of the present study is to define the hydrogeological conditions in a river valley for which the fluidization of the hyporheic zone sediments may occur. The following factors were tested: the difference between the groundwater table and the river water surface, width of the river channel, hydraulic conductivity, and anisotropy of the aquifer sediments, as well as the vertical permeability of the hyporheic zone. The modelling experiments were carried out using the Visual MODFLOW program. The simulations were conducted on three river widths: 3, 6 and 9 m. It was found that the occurrence of fluidization of the hyporheic zone is favoured mainly by the difference between surface water and groundwater table elevation, in the order of 30 m, and the strong anisotropy of aquifers. The likelihood of fluidization occurrence depends on the value of vertical hydraulic conductivity and increases when the hydraulic gradient exceeds 1. The smaller the width of the river, the more favourable conditions for fluidization to occur. It was found that the fluidization of the hyporheic zone depends proportionally on the difference between the surface and ground water table. It has been shown that greater tendency to fluidization can be expected when the aquifer has a high hydraulic conductivity, the hyporheic zone is characterized by low vertical permeability, and the width of the river is small.

Słowa kluczowe

PL

strefa hyporeiczna; fluidyzacja; wody powierzchniowe i podziemne; modelowanie

EN

hyporheic zone; fluidization; surface and groundwater; modelling

• Wydawca: Państwowy Instytut Geologiczny - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 476, Hydrogeologia z. 17
• Strony: 79--85
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Marciniak Marek

• Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Nauk Geograficznych i Geologicznych, ul. Krygowskiego 10, 61-680 Poznań

autor

Matusiak Magdalena

• Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Nauk Geograficznych i Geologicznych, ul. Krygowskiego 10, 61-680 Poznań

autor

Szczucińska Anna

• Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Nauk Geograficznych i Geologicznych, ul. Krygowskiego 10, 61-680 Poznań

autor

Kaczmarek Mariusz

• Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, Wydział Mechatroniki, ul. M. Kopernika 1, 85-074 Bydgoszcz

Bibliografia

• 1. BOANO F., HARVEY J.W., MARIONA., PACKMAN A.I., REVELLIR., RIDOLFIL., WÖRMANA., 2014 – Hyporheic flow and transport processes: Mechanisms, models, and biogeochemical implications. Rev. Geophys., 52: 603–679.
• 2. BUSATO L., BOAGA J., PERRI M.T., MAJONE B., BELLINI A., CASSIANI G., 2019 – Hydrogeophysical characterization and monitoring of the hyporheic and riparian zones: The Vermigliana Creek case study. Sci. Total Environ., 648: 1105–1120.
• 3. CARDENAS M.B., ZLOTNIK V.A., 2003 – Three-dimensional model of modern channel bend deposits. Water Resour. Res., 39: 1141, doi:10.1029/2002WR001383.
• 4. CONANT B. Jr., 2004 – Delineating and quantifying ground water discharge zones using streambed temperatures. Ground Water, 42: 243–257.
• 5. HANCOCK P.J., 2002 – Human impacts on the Stream groundwater exchange zone. Environ. Manag., 29: 763–781.
• 6. HOLMES R.M., 2000 – The importance of ground water to stream ecosystem function. W: Streams and ground waters (red. J.B. Jones, P.J. Mulholland): 137–148. Academic Press, London.
• 7. LEWANDOWSKI J., LISCHEID G., NÜTZMANN G., 2009 – Drivers of water level uctuations and hydrological exchange between groundwater and surface water at the lowland River Spree (Germany): Field study and statistical analyses. Hydrol. Proc., 23: 1–12.
• 8. MARCINIAK M., SZCZUCIŃSKA A., KACZMAREK M., 2017 – Zmienność współczynnika filtracji w strefie hyporeicznej w świetle badań laboratoryjnych. Prz. Geol., 65, 11/1: 1115– 1120.
• 9. MARCINIAK M., KACZMAREK M., SZCZUCIŃSKA A., 2018 – Model matematyczny fluidyzacji strefy hyporeicznej. Biul. Państw. Inst. Geol., 471: 89–96.
• 10. PACKMAN A., SELEHIN M., 2003 – Relative roles of stream flow and sedimentary conditions in controlling hyporheic exchange. Hydrobiologia, 494: 291–297.
• 11. SCHMADEL N.M., WARD A.S., WONDZELL S.M., 2017 – Hydrologic controls on hporheic exchange in a headwater mountain stream. Water Resour. Res., 53: 6260–6278.
• 12. TONINA D., BUFFINGTON J.M., 2007 – Hyporheic exchange in gravel bed rivers with pool-riffle morphology: Laboratory experiments and three-dimensional modeling. Water Resour. Res., 43: W01421, doi:10.1029/2005WR004328.
• 13. WINTER T.C., 1999 – Relation of streams, lakes, and wetlands to groundwater flow systems. J. Hydrol., 7: 28–45.
• 14. WONDZELL S.M., GOOSEFF M.N., MCGLYNN B.L., 2010 – An analysis of alternative conceptual models relating hyporheic exchange ow to diel uctuations in discharge during baseflow recession. Hydrol. Proc., 24: 686–694.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).